0 前言

磁翻板液位計是飛行器潤滑油系統(tǒng)的重要組成部件，主要用于發(fā)動機軸承和傳動齒輪部分潤滑油的輸送與回收，其質(zhì)量好壞直接關系到飛行器的飛行安全，為測試滑油液位計的裝機前性能，特研發(fā)本試驗臺。本試驗臺是磁翻板液位計裝機前校驗、性能測試和故障診斷不可缺少的地面設備，具有高精度、高溫、高轉(zhuǎn)速、高真空度等特點，能滿足多個型號磁翻板液位計的磨合運轉(zhuǎn)試驗、密封試驗、地面性能試驗、調(diào)壓活門試驗、高空性能試驗等多個項目的測試要求，是一個滑油液位計綜合性能測試平臺。

 

1 設計要求與難點分析

1.1 設計要求

磁翻板液位計具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、一軸多級、耐高溫、高轉(zhuǎn)速、真空環(huán)境下工作等特點，根據(jù)被試液位計的試驗需求，確定磁翻板液位計綜合試驗臺主要技術(shù)指標為:①輸出軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍:0 ～18000 r/min;控制精度±20 r/min;②供油溫度≤200℃，控制精度 ±2℃;③被試液位計進油口壓力調(diào)節(jié)范圍 － 95 ～ 100 kPa，控制精度±1 kPa;④被試液位計出油口壓力調(diào)節(jié)范圍 0 ～ 1． 6 MPa;⑤被試液位計供油管路 9 條、回油管路 4 條，每路設計流量≤120 L/min;⑥試驗介質(zhì)為航空潤滑油 HP-8B。

 

1.2 難點分析

(1) 高溫液壓系統(tǒng)的可靠運行。試驗臺要求供油溫度zui高 200℃，在此溫度下液壓系統(tǒng)的可靠運行、密封、信號采集、保溫隔熱、溫度控制、元器件選擇都成為技術(shù)難點。設計時選用耐高溫的液壓元器件，密封件使用氟橡膠或者石墨，局部的散熱結(jié)構(gòu)及軟件的溫度補償算法，有效消除了高溫對電氣元件及信號采集的影響，試驗臺液壓系統(tǒng)的油箱、管路都使用硅酸鹽材料隔熱處理，減少熱量散失。

(2) 高真空度的壓力精調(diào)。被試液位計進油口壓力要求 －95 ～ 100 kPa，控制精度 ± 1 kPa，真空度高且控制精度高;液壓系統(tǒng)所有的元器件采用耐真空結(jié)構(gòu)，使用液環(huán)式的真空液位計產(chǎn)生真空，設計精調(diào)與粗調(diào)的兩級調(diào)壓結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高真空度下的壓力精調(diào)，真空液壓系統(tǒng)能夠模擬飛行器在高空環(huán)境下液位計的工作狀態(tài)。

(3) 高轉(zhuǎn)速輸出與控制。試壓臺要求zui高輸出轉(zhuǎn)速 18000 r/min，控制精度 ±20 r/min;采用電機驅(qū)動齒輪箱增速，設計同軸工裝，實現(xiàn)被試液位計在 18000 r/min轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，齒輪箱設計有強制潤滑散熱系統(tǒng)，可以長時間可靠運行;PLC 采集編碼器反饋的信號，使用變頻器控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)輸出軸轉(zhuǎn)速精確調(diào)節(jié)。

 

2 試驗臺工作原理與結(jié)構(gòu)組成

2.1 工作原理

滑油液位計綜合試驗臺液壓原理如圖 1 所示，當電機驅(qū)動齒輪箱 1 工作時，齒輪箱 1 輸出一個高轉(zhuǎn)速與一個低轉(zhuǎn)速，上位機設定所需要的轉(zhuǎn)速，PLC 通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，被試液位計可以根據(jù)轉(zhuǎn)速要求選擇安裝于高速軸或者低速軸上;使用快換軟管將被試液位計進油口與試驗臺 9 條供油管路接通，被試液位計的出口與試驗臺 4條出油管接通;主油箱與計量油箱通有壓縮空氣，真空液位計 3 開啟可以在油箱內(nèi)產(chǎn)生真空，通過氣動調(diào)節(jié)閥 11可以調(diào)整被試液位計的進油口壓力與出油口壓力;PLC 控制電加熱器 5 的啟停，實現(xiàn)油溫的控制;被試液位計工作時，齒輪箱輸入軸上的轉(zhuǎn)速傳感器、進出油管路上的溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器可時時反饋被試液位計的工作狀態(tài)，根據(jù)試驗大綱要求在上位機設定試驗參數(shù)，完成滑油液位計所需的試驗。

 

2.2 結(jié)構(gòu)組成與功能

本試驗臺機械與液壓部分主要由驅(qū)動裝置，供油系統(tǒng)，輔助循環(huán)系統(tǒng)，信號采集系統(tǒng)組成。驅(qū)動裝置主要由變頻電機、齒輪增速箱組成。電機選用功率11 kW 的2 級變頻電機50 Hz 時，輸出轉(zhuǎn)速3000 r/min;齒輪增速箱采用圓柱斜齒輪傳動，單輸入雙輸出結(jié)構(gòu)，齒輪箱具備正、反轉(zhuǎn)功能，通過控制電機旋轉(zhuǎn)方向可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn);頻率 50 Hz 時，兩個輸出端轉(zhuǎn)速分別是 7500 r/min、15000 r/min，變頻器 60 Hz 時，高速輸出端轉(zhuǎn)速可達到 18000r/min，被試液位計沒有極低轉(zhuǎn)速的需求，所以設定變頻器頻率調(diào)節(jié)范圍 5 ～65 Hz，防止齒輪箱超過額定轉(zhuǎn)速。齒輪精度等級不低于 5 級(GB10095-88)，各軸承處裝有溫度傳感器實時監(jiān)控軸承溫度，軸承超溫時能夠自動報警并泄荷停機。

供油系統(tǒng)主要由主油箱、計量油箱、真空液位計、調(diào)壓過濾器、氣動切換閥、管路、壓力表、等組成。主油箱與計量油箱按照真空容器設計為圓柱形結(jié)構(gòu)，封閉形式，接通調(diào)壓后的壓縮空氣與真空液位計;計量油箱經(jīng)過標定，通過氣動切換閥選擇油路，實現(xiàn)被試液位計某一油路流量的計量，使用計量油箱測試流量直觀、可靠，同時計量油箱可以作為流量計校準的工具。

輔助循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)液位計、加熱器、水冷式散熱器、吸油過濾器、管路過濾器、回油過濾器、漏油收集油箱組成;循環(huán)液位計使用流量 40 L/min 的耐高溫齒輪液位計，可以滿足zui高溫度 200℃工作要求;被試液位計供油溫度要求控制在 ±2℃范圍內(nèi)，利用計算機采用 PID 過程控制，將現(xiàn)場送來的溫度信號進行運算，通過 PLC 控制加熱器與散熱器的工作啟停，使油溫精確地穩(wěn)定在設定值上。三級過濾保證供油精度達到 GJB420A 中的 7 級;試驗結(jié)束后，拆卸被試液位計所流出的潤滑油被漏油收集油箱收集并經(jīng)過循環(huán)液位計輸送，油液經(jīng)過過濾后回到主油箱，泄漏的潤滑油反復利用，有效減少了試驗過程中潤滑油的消耗。

信號采集系統(tǒng)主要由溫度變送器、編碼器、壓力傳感器、流量計等組成，溫度變送器測量油箱、被試液位計進油口、出油口的溫度，編碼器測量齒輪箱輸入軸轉(zhuǎn)速，壓力變送器測量被試液位計進油口、出油口的壓力，安裝時與被試液位計在同一水平高度，消除了高差所帶來的誤差，流量計測量被試液位計各個油路的流量，選用螺桿式流量計，此種流量計對被測介質(zhì)的溫度、粘度不敏感，有效消除了試驗過程中潤滑油溫度變化、粘度變化所帶來的計量誤差，計量精度高。

 

3 控制系統(tǒng)的設計

電控系統(tǒng)由控制臺及現(xiàn)場配電控制柜二大部分構(gòu)成。

為使檢測系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運行，電控系統(tǒng)采用成熟、xianjin的工業(yè)以太網(wǎng)、PLC、工控機等技術(shù);在元器件選型上，主要器件全部選用優(yōu)質(zhì)品牌產(chǎn)品;同時，在系統(tǒng)設計、系統(tǒng)配置、等各環(huán)節(jié)上，采取隔離、屏蔽、接地、數(shù)字傳輸?shù)燃夹g(shù)以提高系統(tǒng)的抗干擾能力?？刂婆_由不間斷電源、濾波器、顯示器、工控機服務器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、打印機、PLC、直流電源及操作開關元件等組成，工控機完成人機交互功能，完成數(shù)據(jù)存儲、顯示、查詢及打印等功能，PLC 通過 PＲOFINET 網(wǎng)絡實現(xiàn)對上位工控機的通訊。

現(xiàn)場配電控制柜由電源開關、分路斷路器、變頻器、繼電器、接觸器、隔離變壓器、直流電源、ET200 子站模塊等構(gòu)成。ET200 子站通過 PＲOFINET 網(wǎng)絡與PLC 連接。

作為控制核心 PLC 采用zui新的西門子 S7-1500 系列 CPU 模塊，并擴展二個數(shù)字量 DI/DQ 模塊用于控制臺本地信號的采集與控制，并通過 PＲOFINET 遠程控制 ET200 子站。各子站根據(jù)要求配置了 DI、DQ、AQ、AI 及計數(shù)模塊，用于對壓力、溫度及流量信號采集轉(zhuǎn)換，檢測各液位開關、發(fā)訊器及電機、加熱器的電源及工作狀態(tài)、并實現(xiàn)對各電機、加熱器及各種閥的控制。上位機軟件使用 LabVIEW 開發(fā)，在試驗過程中可以顯示試驗的進程、采集的數(shù)據(jù)、試驗時間、試驗曲線和液壓原理圖中各元件的通電狀態(tài)?？墒占?、存貯、顯示、查詢和打印整個試驗期間所有收集的數(shù)據(jù)及報警信息，并可以按日期時間進行查看。智能監(jiān)控診斷故障并通過蜂鳴器和報警燈提示報警，以判斷故障的部位和報警的原因。系統(tǒng)設定界面負責設置系統(tǒng)的全局參數(shù)，包括傳感器參數(shù)設定、系統(tǒng)功能參數(shù)設定、密碼管理。傳感器參數(shù)設定用于設定傳感器的修正參數(shù)，由于傳感器的性能老化、外界環(huán)境的干擾等因素，使得傳感器的輸入輸出的函數(shù)關系發(fā)生了變化，會使擬合直線發(fā)生變化，因此，在使用一段時間后應該視具體情況加以修正。

 

4 結(jié)束語

本試驗臺可以滿足多個種類、多個型號滑油液位計的綜合試驗，目前已經(jīng)順利通過了驗收，各項性能指標均達到了設計要求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、測試精度高、智能化程度高、人機界面友好。試驗臺設計過程中將傳統(tǒng)的液壓、氣動技術(shù)結(jié)合在一起，并充分運用了上位機、觸摸屏與人的交互功能，大大提高了自動化程度與數(shù)據(jù)處理能力，而且 PLC 的應用使整個系統(tǒng)更加安全可靠。本試驗臺的成功研制既為磁翻板液位計提供了可靠的測試平臺，也為類似試驗器的設計提供了參考與借鑒。